알파 입자 X선 분광기
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1. 개요
알파 입자 X선 분광기는 알파 입자를 사용하여 물질의 조성을 분석하는 기기이다. 알파 입자 산란, 양성자 방출, X선 방출의 세 가지 주요 작동 원리를 통해 시료 내 원소의 종류와 양을 파악한다. 주로 우주 탐사선에 탑재되어 행성 및 소행성 표면의 암석, 토양 등의 성분 분석에 활용되며, 소련의 포보스 1호와 2호, 화성 96, 화성 탐사 로버 스피릿과 오퍼튜니티, 큐리오시티, 유럽 우주국의 필레 등 다양한 탐사선에 사용되었다.
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| 알파 입자 X선 분광기 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| |
| |
| 기본 정보 | |
| 유형 | 화학 분석 기기 |
| 기술 | 알파 입자 후방 산란 및 X선 분광법 |
| 용도 | 행성 표면의 원소 조성 분석 |
| 역사 및 개발 | |
| 최초 개발 | 알렉산더 투르케비치 |
| 초기 사용 | 서베이어 계획 |
| 추가 개발 | 막스 플랑크 화학 연구소 |
| 작동 원리 | |
| 알파 입자 방출 | 표본에 알파 입자 (헬륨 원자핵)을 방출 |
| 후방 산란 분석 | 입자 에너지 및 수 분석을 통해 원소 식별 |
| X선 여기 | 알파 입자가 표본 원자를 여기시켜 특성 X선 방출 |
| X선 분석 | X선 스펙트럼 측정을 통해 원소 식별 및 정량화 |
| 응용 | |
| 행성 탐사 | 화성 탐사 로버 (소저너, 스피릿, 오퍼튜니티, 큐리오시티) |
| 기타 탐사 | 포보스 계획, 찬드라얀 2호, 필레 |
| 주요 특징 | |
| 비파괴 분석 | 표본 손상 없이 원소 조성 분석 가능 |
| 현장 분석 | 원격으로 표본 준비 없이 분석 가능 |
| 넓은 범위의 원소 검출 | 주요 암석 형성 원소 대부분 검출 가능 |
| 관련 연구 | |
| 연구자 | T.E. 이코노무 A.L. 투르케비치 R. 리더 H. ванке |
2. 작동 원리
알파 입자 X선 분광기(APXS)는 알파 입자를 이용하여 물질의 성분을 분석하는 장비로, 다음과 같은 세 가지 주요 원리가 적용된다.
- 알파 입자 산란: 알파 입자가 원자핵과 충돌하여 튕겨 나오는 현상을 이용한다. 가벼운 원소는 알파 입자의 에너지를 많이 흡수하고, 무거운 원소는 거의 같은 에너지로 반사시킨다. 이러한 성질을 이용하여 시료의 조성을 파악한다.
- 양성자 방출: 알파 입자가 원자핵에 흡수되면서 양성자를 방출하는 현상을 이용한다. 나트륨, 마그네슘, 규소, 알루미늄, 황 등의 원소를 검출할 수 있다.
- X선 방출: 알파 입자가 원자 내부의 전자를 방출시키면, 빈자리가 생기고 이 빈자리를 다른 전자가 채우면서 X선이 방출된다. 이 X선을 분석하여 무거운 원소의 종류와 양을 알아낼 수 있다.
2. 1. 알파 입자 산란
정해진 에너지를 가진 알파 입자 중 일부는 원자핵과 충돌하면 검출기로 되돌아온다. 180°에 가까운 각도에서의 러더퍼드 후방 산란에 대한 물리 법칙은 에너지 보존과 운동량 보존이다. 이를 통해 알파 입자에 부딪힌 핵의 질량을 계산할 수 있다.[1]가벼운 원소는 알파 입자의 에너지를 더 많이 흡수하는 반면, 알파 입자는 무거운 핵에 의해 거의 같은 에너지로 반사된다. 산란된 알파 입자의 에너지 스펙트럼은 초기 알파 입자의 25%에서 거의 100%까지의 피크를 나타낸다. 이 스펙트럼을 통해 특히 가벼운 원소에 대해 시료의 조성을 결정할 수 있다. 낮은 후방 산란율로 인해 약 10시간의 장시간 조사가 필요하다.[1]
2. 2. 양성자 방출
알파 입자 중 일부는 원자핵에 흡수된다. [알파, 양성자] 과정은 특정 에너지를 가진 양성자를 생성하며, 이 양성자는 검출된다. 이 방법으로 나트륨, 마그네슘, 규소, 알루미늄 및 황을 검출할 수 있다. 이 방법은 화성 탐사선 APXS에서만 사용되었다. 화성 탐사 로버의 경우, 양성자 검출기는 두 번째 알파 입자 센서로 대체되었다. 그래서 이것은 알파 입자 X선 분광기라고도 불린다.2. 3. X선 방출
알파 입자는 원자의 내부 껍질(K- 및 L-껍질)에서 전자를 방출할 수 있다. 이러한 빈자리는 외부 껍질의 전자에 의해 채워지며, 이로 인해 특성 X-선이 방출된다. 이 과정을 입자 유도 X선 방출이라고 하며, 감지하기가 비교적 쉽고, 무거운 원소에 대해 최고의 감도와 분해능을 갖는다.[1]큐륨244가 방출하는 α 입자는 5.1 MeV의 에너지를 가지며, 플루토늄240은 14~18keV의 X선을 방출한다.[1] 화성 탐사 로버에 탑재된 아테나 페이로드의 선량은 30mCi였다.[1]
3. 주요 사용처
- '''알파-X'''는 포보스 1호와 포보스 2호의 DAS 착륙선에 사용되었다.[6][10]
- '''ALPHA'''는 화성 96 착륙선에 사용되었으며, 독일, 러시아, 미국의 협력으로 개발되었다.[11]
- '''알파 입자 X선 분광기'''는 화성 탐사선에 사용되었으며, 막스 플랑크 연구소와 시카고 대학교에서 제작하였다.[12]
- '''알파 입자 X선 분광기'''는 스피릿(MER-A)과 오퍼튜니티(MER-B) 화성 탐사 로버에 사용되었다.[13][14]
- '''알파 입자 X선 분광기'''는 큐리오시티(MSL)에 사용되었다. ''큐리오시티''의 APXS 수석 연구원은 캐나다 온타리오 궬프 대학교의 물리학자 랄프 겔레르트이다. 이 장비는 캐나다 우주국에서 개발 및 자금 지원을 받았으며, 궬프 대학교와 미국의 우주 행정기관에서도 운영을 지원했다.[15]
- '''알파 입자 X선 분광기'''는 필레에 사용되었으며, 유럽 우주국의 착륙선으로 ''로제타''에 부착되어 혜성 67P/추류모프-게라시멘코를 연구한다.[16]
4. 구성 물질
큐륨-244가 방출하는 α 입자는 5.1 MeV의 에너지를 가지며, 플루토늄-240은 14~18keV의 X선을 방출한다.[1] 화성 탐사 로버에 탑재된 아테나 페이로드의 선량은 30 mCi였다.[1]
5. 관련 사진
참조
[1]
간행물
The Alpha-Scattering Technique of Chemical Analysis
1970
[2]
간행물
Alpha-scattering experiment on Surveyor 7 – Comparison with Surveyors 5 and 6
1969
[3]
간행물
Determination of the chemical composition of Martian soil and rocks:The alpha proton X ray spectrometer
1997
[4]
간행물
An Alpha Proton X-Ray Spectrometer for Mars-96 and Mars Pathfinder
1997
[5]
간행물
The new Athena alpha particle X-ray spectrometer for the Mars Exploration Rovers
2003
[6]
간행물
In-Situ Measurement of the Surface Composition of the Mars Moon Phobos: The Alpha-X Experiment on the Phobos Mission
1988
[7]
웹사이트
Alpha Proton X-ray Spectrometer (APXS) – Mission Name: Philae
https://nssdc.gsfc.n[...]
NASA
2014-08-26
[8]
웹사이트
Payloads for Chandrayaan-2 Mission Finalised
http://www.isro.gov.[...]
Indian Space Research Organisation
2010-08-30
[9]
웹사이트
Alpha Particle X-Ray Spectrometer (APXS) (2 pages)
http://athena.cornel[...]
[10]
웹사이트
JPL QuickLook – Phobos 1, 2
https://web.archive.[...]
[11]
웹사이트
SMALL AUTONOMOUS STATIONS – Mars 96
http://www.iki.rssi.[...]
[12]
웹사이트
Mars Pathfinder Instrument Descriptions – NASA
http://mars.jpl.nasa[...]
[13]
웹사이트
ATHENA – Cornell University
http://athena.cornel[...]
[14]
웹사이트
Mars Exploration Rovers: Spacecraft: Surface Operations: Instruments: Alpha Particle X-Ray Spectrometer (APXS)
http://marsrovers.jp[...]
NASA JPL
[15]
웹사이트
NASA – Alpha Particle X-ray Spectrometer (APXS)
https://web.archive.[...]
[16]
뉴스
Alpha particle x-ray spectrometer developed in Mainz to be used on comet Churyumov–Gerasimenko
http://www.uni-mainz[...]
Johannes Gutenberg Universität Mainz
2014-04-10
[17]
간행물
The Alpha-Scattering Technique of Chemical Analysis
[18]
간행물
Alpha-scattering experiment on Surveyor 7 - Comparison with Surveyors 5 and 6
[19]
간행물
Determination of the chemical composition of Martian soil and rocks:The alpha proton X ray spectrometer
[20]
간행물
An Alpha Proton X-Ray Spectrometer for Mars-96 and Mars Pathfinder
http://articles.adsa[...]
[21]
간행물
The new Athena alpha particle X-ray spectrometer for the Mars Exploration Rovers
[22]
간행물
In-Situ Measurement of the Surface Composition of the Mars Moon Phobos: The Alpha-X Experiment on the Phobos Mission
https://articles.ads[...]
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